3.3透射電鏡的工作原理和特點課件

H800透射電子顯微鏡(鏡筒)3.3透射電鏡的工作原理和特點高壓系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點真空系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點控制系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點觀察和記錄系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點3.3透射電鏡

1.透射電鏡的工作原理和特點

透射電鏡：是以波長極短的電子束作為照明源，用電子透鏡聚焦成像的一種具有高分辨本領、高放大倍數(shù)的電子光學儀器。

四部分：電子光學系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、

真空系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點

鏡筒

一般由電子槍、聚光鏡、物鏡、中間鏡和投影鏡等電子透鏡、樣品室和熒光屏組成透射電鏡的電子光學系統(tǒng)。3.3透射電鏡的工作原理和特點

透射電鏡，通常采用熱陰極電子槍來獲得電子束作為照明源。

熱陰極發(fā)射的電子，在陽極加速電壓的作用下，高速穿過陽極孔，然后被聚光鏡會聚成具有一定直徑的束斑照到樣品上。

具有一定能量的電子束與樣品發(fā)生作用，產(chǎn)生反映樣品微區(qū)厚度、平均原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)或位向差別的多種信息。3.3透射電鏡的工作原理和特點

透過樣品的電子束強度，其取決于這些信息，經(jīng)過物鏡聚焦放大在其平面上形成一幅反映這些信息的透射電子像，經(jīng)過中間鏡和投影鏡進一步放大，在熒光屏上得到三級放大的最終電子圖像，還可將其記錄在電子感光板或膠卷上。

透鏡電鏡和普通光學顯微鏡的光路是相似的，如圖4-3所示。3.3透射電鏡的工作原理和特點3.3透射電鏡的工作原理和特點光學顯微鏡與透射電鏡的比較

比較部分光學顯微鏡透射電鏡光源可見光(日光、電燈光)電子源(電子槍)照明控制玻璃聚光鏡電子聚光鏡樣本1mm厚的載玻片約10nm厚的薄膜放大成象系統(tǒng)玻璃透鏡電子透鏡介質(zhì)空氣和玻璃高度真空像的觀察直接用眼利用熒光屏聚焦方法移動透鏡改變線圈電流或電壓分辨本領200nm0.2~0.3nm有效放大倍數(shù)103×106×物鏡孔徑角約700＜10景深較小較大焦長較短教長像的記錄照相底板照相底板3.3透射電鏡的工作原理和特點

透射電鏡的顯著特點是分辨本領高。目前世界上最先進的透射電鏡的分辨本領已達到0.1nm,可用來直接觀察原子像。3.3透射電鏡的工作原理和特點3.3透射電鏡的工作原理和特點電磁透鏡3.3透射電鏡的工作原理和特點電磁透鏡的分辨本領由衍射效應和球面像差來決定。

衍射效應對分辨本領的影響：

Rayleigh公式：

Δr0=0.61λ/Nsinα

Δr0：成像物體上能分辨出來的兩個物點間的最小距離，表示透鏡分辨本領的大小。

λ：波長;N：介質(zhì)的相對折射系數(shù)

α:透鏡的孔徑半角

只考慮衍射效應時，在照明光源和介質(zhì)一定的條件下，孔徑半角越大，透鏡的分辨本領越高。

像差對分辨本領的影響：

由于球差、像散和色差的影響，物體上的光點在像平面上均會擴展成散焦斑，個散焦斑的半徑也就影響了透鏡的分辨本領。3.3透射電鏡的工作原理和特點

控制電子束的運動在電子光學領域中主要使用電磁透鏡裝置。但電磁透鏡在成像時會產(chǎn)生像差。

像差分為幾何像差和色差兩類。

幾何像差：由于透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的像差。

色差：由于電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的像差。3.3透射電鏡的工作原理和特點

透鏡的實際分辨本領除了與衍射效應有關以外，還與透鏡的像差有關。

光學透鏡，已經(jīng)可以采用凸透鏡和凹透鏡的組合等辦法來矯正像差，使之對分辨本領的影響遠遠小于衍射效應的影響;

但電子透鏡只有會聚透鏡，沒有發(fā)散透鏡，所以至今還沒有找到一種能矯正球差的辦法。這樣，像差對電子透鏡分辨本領的限制就不容忽略了。3.3透射電鏡的工作原理和特點

像差分球差、像散、色差等，其中，球差是限制電子透鏡分辨本領最主要的因素。球差的大小，可以用球差散射圓斑半徑Rs和縱向球差ΔZs兩個參量來衡量。前者是指在傍軸電子束形成的像平面(也稱高斯像平面)上的散射圓斑的半徑。后者是指傍軸電子束形成的像點和遠軸電子束形成的像點間的縱向偏離距離。

3.3透射電鏡的工作原理和特點

ΔZs3.3透射電鏡的工作原理和特點3.3透射電鏡的工作原理和特點

如果計算分辨本領的平面為最小截面圓所在平面，則

Δr’s=1/4Csα3

從以上兩式可以得知Δr’s或Δrs與球差系數(shù)Cs成正比，與孔徑半角的立方成正比。也就是說球差系數(shù)越大，由球差決定的分辨本領越差，隨著α的增大，分辨本領也急劇地下降。3.3透射電鏡的工作原理和特點像散：像散是由透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱而引起。

如果電磁透鏡在制造過程中已經(jīng)存在固有的像散，則可以通過引入一個強度和方位都可以調(diào)節(jié)的矯正磁場來進行補償，這個能產(chǎn)生矯正磁場的裝置稱為消像散器。3.3透射電鏡的工作原理和特點色差：是由于入射電子波長（或能量）的非單一性造成。色差3.3透射電鏡的工作原理和特點電磁透鏡的景深和焦長電磁透鏡的特點是景深大（場深），焦長很長。3.3透射電鏡的工作原理和特點

景深：透鏡物平面允許的軸向偏差定義為透鏡的景深。

從原理上講，當透鏡焦距、像距一定時，只有一層樣品平面與透鏡的理想物平面重合，能在透鏡像平面上獲得該層平面的理想圖象，而偏離理想物平面的物點都存在一定程度的失焦，他們在透鏡像平面上將產(chǎn)生具有一定尺寸的失焦圓斑，如果失焦圓斑尺寸不超過由衍射效應和像差引起的散焦斑，那么對透鏡像分辨本領并不產(chǎn)生影響。3.3透射電鏡的工作原理和特點焦長：透鏡像平面允許的軸向偏差定義為焦長。

當透鏡焦距、物距一定時，像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動，也會引起失焦。如果失焦尺寸不超過由衍射效應和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動，對透鏡像分辨率并不產(chǎn)生影響。3.3透射電鏡的工作原理和特點2透射電鏡的結(jié)構(gòu)及原理

透射電鏡主要有電子光學系統(tǒng)(鏡筒)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)等四部分。

電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和操作系統(tǒng)都是輔助系統(tǒng)。3.3透射電鏡的工作原理和特點

電源系統(tǒng)包括電子槍高壓電源、透鏡電源和控制線路電源等。

真空系統(tǒng)用來維持鏡筒(凡是電子運行的空間)的真空度在10-4Torr以上，以確保電子槍電極間絕緣，防止成像電子在鏡筒內(nèi)受氣體分子碰撞而改變運動軌跡，減小樣品污染等。3.3透射電鏡的工作原理和特點

基于對機械穩(wěn)定性的考慮，透射電鏡的鏡筒一般是直立積木式結(jié)構(gòu)（自上而下）：電子槍，聚光鏡，樣品室、物鏡、中間鏡和投影鏡，熒光屏和照相裝置。3.3透射電鏡的工作原理和特點

通常將鏡筒分為照明、成像及圖像觀察和記錄三個系統(tǒng)。

照明系統(tǒng)：電子槍、聚光鏡

成像系統(tǒng)：樣品室、物鏡、中間鏡和投影鏡

圖像觀察和記錄系統(tǒng)：熒光屏和照相裝置3.3透射電鏡的工作原理和特點1.照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)的作用：

①提供光源，控制其穩(wěn)定度、照明強度和照明孔徑角；

②選擇照明方式(明場或暗場成像)。3.3透射電鏡的工作原理和特點(1)電子槍

電子槍是透射電鏡的電子源。因為電子槍決定了像的亮度、圖像穩(wěn)定度和穿透樣品能力，所以相應地要求其亮度、發(fā)射穩(wěn)定度和加速電壓都要高。最常用的加速電壓為50~100kV，近來超高電壓電鏡的加速電壓已達數(shù)千kV。3.3透射電鏡的工作原理和特點電子槍3.3透射電鏡的工作原理和特點

目前常用的電子槍是熱陰極三極電子槍，如圖所示。它由發(fā)夾形鎢絲陰極、陽極和位于陰、陽極之間且電位比陰極負數(shù)百伏的柵極組成。

這是一種靜電透鏡，它能使陰極發(fā)射的電子會聚，得到一個小于100μm的電子束斑。3.3透射電鏡的工作原理和特點(2)聚光鏡

聚光鏡大多是磁透鏡，其作用是將來自電子槍的電子束會聚到被觀察的樣品上，并通過它來控制照明強度、照明孔徑角和束斑大小。高性能透射電鏡都采用雙聚光鏡系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由第一聚光鏡(強激磁透鏡)和第二聚光鏡(弱激磁透鏡)組成。3.3透射電鏡的工作原理和特點3.3透射電鏡的工作原理和特點

第一聚光鏡的縮小倍數(shù)為10~50倍，它將有效光源強烈地縮小成1~5

m的光斑像。

第二聚光鏡縮小倍數(shù)約為1/2倍。這樣，通過第二聚光鏡在試樣平面上形成直徑約為2-10

m的光斑，顯著地提高了照明效果。3.3透射電鏡的工作原理和特點2.

成像系統(tǒng)

物鏡、中間鏡和投影鏡現(xiàn)也都采用磁透鏡。它們和樣品室構(gòu)成成像系統(tǒng)，作用是安置樣品、放大成像。3.3透射電鏡的工作原理和特點(1)物鏡

物鏡是透射電鏡的核心，它獲得第一幅具有一定分辨本領的放大電子像。這幅像的任何缺陷都將被其他透鏡進一步放大，所以透射電鏡的分辨本領就取決于物鏡的分辨本領。因此，要求物鏡有盡可能高的分辨本領、足夠高的放大倍數(shù)和盡量小的像差。磁透鏡最大放大倍數(shù)為200倍，最大分辨本領為0.1nm。3.3透射電鏡的工作原理和特點

物鏡的球面像差一般通過在物鏡背焦面徑向插入物鏡光闌，物鏡的像散通常通過采用機械消像散器、磁消像散器或靜電消像散器來減小。3.3透射電鏡的工作原理和特點3.3透射電鏡的工作原理和特點(2)中間鏡和投影鏡

中間鏡和投影鏡的構(gòu)造和物鏡是一樣的，但它們的焦距比較長。其作用是將物鏡形成的一次像再進行放大，最后顯示到熒光屏上，從而得到高放大倍數(shù)的電子像。這樣的過程稱為三級放大成像。3.3透射電鏡的工作原理和特點

物鏡和投影鏡屬于強透鏡，其放大倍數(shù)均為100倍左右，而中間鏡屬于弱透鏡，其放大倍數(shù)為0~20倍。三級成像的總放大倍數(shù)為：

MT=MOMIMP

其中MO、MI、MP分別是物鏡、中間鏡和投影的放大倍數(shù)。3.3透射電鏡的工作原理和特點

磁透鏡可以通過改變電流來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。一般通過將物鏡和投影鏡的放大倍數(shù)MO、MP固定，而改變中間鏡放大倍數(shù)MI來改變總放大倍數(shù)MT。應當指出，放大倍數(shù)越大，成像亮度越低。成像亮度與MT2成反比。因此，要根據(jù)具體要求選用成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)。3.3透射電鏡的工作原理和特點

樣品室位于照明系統(tǒng)和物鏡之間，其作用是安裝各種形式的樣品臺，提供樣品在觀察過程中的各種運動，如平移(